本發(fā)明涉及干涉儀領(lǐng)域，具體是一種氣壓調(diào)節(jié)無運動件干涉儀。

背景技術(shù)：

干涉儀是非分散光學檢測中常用的設(shè)備，是傅里葉紅外設(shè)備的核心部件。干涉儀在化學分析、物質(zhì)鑒定、精密加工檢測、實時監(jiān)測和遙感監(jiān)測等方面有著廣泛的應(yīng)用。

常規(guī)干涉儀有邁克爾孫和法布里-珀羅兩種基本類型，其中以邁克爾孫型干涉儀最為常見。基本型邁克爾孫干涉儀通過機械方式改變光程，從而實現(xiàn)對干涉的調(diào)節(jié)和控制?；拘瓦~克爾孫干涉儀的反射鏡片的位置精度需要控制在光波長的數(shù)量級，所以其體積和重量都比較大。光干涉要求兩路光的軌跡高度重合，所以反射鏡的角度也需要嚴格校準。這些要求都限制了干涉儀的制造和應(yīng)用。上世紀90年代出現(xiàn)了使用角錐鏡的干涉儀結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)解決了干涉儀反射角的問題，但其運動件的位置精度仍依賴于機械加工的質(zhì)量。

由于干涉儀對光路的位置精度非常敏感，而傳統(tǒng)干涉儀都必然存在關(guān)鍵的運動部件，這導致光學干涉儀的加工精度和機械穩(wěn)定性要求較高，從而造成了制作成本居高不下，給基于干涉儀的光學檢測的應(yīng)用推廣帶來了困難。目前，運動部件的精度已經(jīng)成為制約干涉儀制造成本的一個重大難點。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是提供一種不依賴于運動部件而實現(xiàn)干涉控制的氣壓調(diào)節(jié)無運動件干涉儀，以降低干涉儀生產(chǎn)難度、消除器件因摩擦或轉(zhuǎn)動而產(chǎn)生的機械誤差。在干涉儀核心位置上避免機械運動部件的先天不足。

為了達到上述目的，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案為：

氣壓調(diào)節(jié)無運動件干涉儀，包括邁克爾遜干涉儀常規(guī)光路結(jié)構(gòu)中的半透半反鏡，以及分別位于半透半反鏡反射光路、透射光路上的反射鏡，其特征在于：在半透半反鏡的透射光路上，位于半透半反鏡和對應(yīng)的反射鏡之間共光軸設(shè)置有光程腔，由光程腔所在的透射光路形成可調(diào)光路，光程腔側(cè)壁具有供氣壓計連通的通氣孔以及供氣壓調(diào)節(jié)器連通的通氣孔，所述氣壓計通過對應(yīng)的通氣孔監(jiān)測光程腔內(nèi)部氣壓，且氣壓計與一個氣壓控制模塊連接，由氣壓控制模塊接收氣壓計測量的壓力信號，氣壓控制模塊根據(jù)壓力信號得到相應(yīng)的氣壓控制信號并將氣壓控制信號傳送至氣壓調(diào)節(jié)器，所述氣壓調(diào)節(jié)器根據(jù)氣壓控制信號通過對應(yīng)的通氣孔對光程腔內(nèi)部氣壓進行調(diào)節(jié)，通過調(diào)節(jié)光程腔內(nèi)部氣壓改變調(diào)節(jié)邁克爾遜干涉儀的光程。

所述的氣壓調(diào)節(jié)無運動件干涉儀，其特征在于：所述光程腔為管狀腔體，腔體兩管端分別安裝有石英窗片，腔體一側(cè)連接有一對通氣孔，兩通氣孔分別垂直于腔體中心軸，其中一個通氣孔與氣壓計連通，另一個通氣孔與氣壓調(diào)節(jié)器連通。

所述的氣壓調(diào)節(jié)無運動件干涉儀，其特征在于：所述氣壓調(diào)節(jié)器由若干截面積不同的活塞筒構(gòu)成，每個活塞筒分別由各自對應(yīng)的驅(qū)動電機驅(qū)動，每個活塞筒分別配備有剛性鎖扣，多個活塞筒的出氣孔分別與光程腔對應(yīng)的通氣孔連通，所述氣壓控制模塊分別與各個活塞筒的驅(qū)動電機和剛性鎖孔控制連接。

所述的氣壓調(diào)節(jié)無運動件干涉儀，其特征在于：還包括結(jié)構(gòu)與光程腔相同的補償腔，補償腔內(nèi)部光路長度小于光程腔，補償腔兩管端分別安裝有石英窗片，且補償腔中石英窗片與光程腔的石英窗片完全相同，所述補償腔共中心軸設(shè)置在半透半反鏡的反射光路上并位于半透半反鏡和對應(yīng)的反射鏡之間，補償腔側(cè)壁設(shè)有一對通氣孔，兩通氣孔分別垂直于補償腔中心軸，其中一個通氣孔通過放空閥向外部放氣，所述氣壓控制模塊與放氣閥控制連接，由補償腔所在的反射光路形成固定光路，并由補償腔的石英窗片補償光程腔石英窗片的色散效果，以規(guī)避色散對干涉的影響。

所述的氣壓調(diào)節(jié)無運動件干涉儀，其特征在于：所述補償腔另一個通氣孔還可通過連通閥連通接入氣壓調(diào)節(jié)器與光程腔對應(yīng)的通氣孔之間，所述氣壓控制模塊與連通閥控制連接，當需要進行光程差的高精度調(diào)節(jié)時，通過連通閥連通補償腔和光程腔，此時補償腔所在的反射光路不再為固定光路。

所述的氣壓調(diào)節(jié)無運動件干涉儀，其特征在于：所述光程腔、補償腔均由高強度材料制成，可承受較高的氣壓以實現(xiàn)大范圍的變化。

本發(fā)明的工作原理為：

當空氣氣壓在正常大氣壓附近時，其折射率與氣壓基本上線性相關(guān)。在邁克爾孫干涉儀的兩條光路中增加結(jié)構(gòu)相同的光程腔和補償腔，其中光程腔可以通過內(nèi)部氣壓的改變調(diào)節(jié)光程，當氣壓增大時，光程增加，反之光程減小。補償腔的有效部件為兩塊石英窗片，其作用為抵消光程腔窗片的色散效果，對于使用單色光源的干涉儀，可以不使用補償腔。

為準確控制光程腔的光程變化，需要對其內(nèi)部氣壓進行精確控制，光程腔外接的氣壓控制模塊可以通過即時檢測腔體內(nèi)部氣壓實現(xiàn)動態(tài)調(diào)節(jié)，進而實現(xiàn)對光程腔氣壓/光程的精確控制。為增加光程調(diào)節(jié)靈敏度，在保證機械強度的前提下，光程腔內(nèi)部空氣柱的長度應(yīng)該盡量薄。一般來說，由于壓力變化產(chǎn)生的石英窗片的厚度變化應(yīng)遠小于工作波長。

常壓下空氣折射率為1.00027652，與真空接近，這樣，每毫米的真空與空氣存在276.52nm的光程差，約為半個可見光波長?？梢該?jù)此定義空氣的氣壓-光程系數(shù)k，k＝276.52nm/(atm.mm)。對于長l(mm)的光路，氣壓變動dp(atm)和光程變動dl(nm)的關(guān)系為：

dl＝k×l×dp

據(jù)此計算關(guān)系，光路在光程腔中的長度決定了精度，對于同等的光程變動，光路越短，對氣壓的控制精度要求越低。以500nm波長的可見光為例，當光程控制精度為10nm時，干涉儀足以精確控制其光線干涉狀態(tài)，此時使用1mm光程腔，往返光路長度為2mm，10nm的光程差控制需要氣壓變動為0.018個大氣壓，約1832pa。實際上目前壓力傳感器很容易實現(xiàn)1500pa精度的測量，故對于1mm厚的光程腔，對光程的控制精度可以輕易達到10nm以內(nèi)。

對于更短波長紫外線，需要的光程控制精度也更高，對于空氣中可以正常使用的紫外極限波長185nm，要能精確控制干涉，需控制光程變動約4nm(2％波長)，上述情況下需要實現(xiàn)約700pa的氣壓精度，此精度對壓力測量的要求過高，故本發(fā)明設(shè)計了補償腔與光程腔連用的方式，實現(xiàn)了減小光路長度的、降低氣壓控制精度的要求。

對于中空的加工件，補償腔和光程腔的內(nèi)部空間必然存在一定的差異，在低成本加工條件下，1mm腔體會存在0.1mm的加工誤差。如此當光程腔與補償腔連通并對外封閉時，光路中實際有效的光程腔長度將不超過0.1mm，此時，根據(jù)前面所述計算，2kpa的氣壓控制精度可帶來小于1nm的的光程控制精度，經(jīng)過標定后，足以完成紫外-可見-紅外全波段的干涉精確控制。

干涉儀工作時需要避免腔體內(nèi)氣體與外界頻繁交換而產(chǎn)生的污染，本發(fā)明設(shè)計的多筒組合氣壓調(diào)節(jié)器，采用不同口徑的活塞筒，在不同氣壓級別上逐級調(diào)節(jié)，實現(xiàn)對封閉環(huán)境內(nèi)氣壓的大范圍精確控制。例如：3個活塞筒口徑分別為5:3:1，則其活塞移進行微量移動時，產(chǎn)生的氣壓變化則為25:9:1，可以根據(jù)需要逐級進行從粗調(diào)到微調(diào)的氣壓調(diào)節(jié)。

本發(fā)明是一種能夠不使用運動光學部件的邁克爾孫干涉儀，其各光路組成部分均無動件且使用剛性連接，以保證其對振動具有極強的抵抗性。由于其各光學部件均為緊固件，該干涉儀便于制作和組裝，對部件的加工工藝要求也明顯低于傳統(tǒng)的干涉儀。

附圖說明

圖1為本發(fā)明結(jié)構(gòu)原理圖。

圖2為光程腔及補償腔剖面示意圖。

圖3為壓力控制器結(jié)構(gòu)示意圖。

具體實施方式

如圖1所示，氣壓調(diào)節(jié)無運動件干涉儀，包括邁克爾遜干涉儀常規(guī)光路結(jié)構(gòu)中的半透半反鏡5，以及分別位于半透半反鏡5反射光路10、透射光路11上的反射鏡2和1，在半透半反鏡5的透射光路11上，位于半透半反鏡5和對應(yīng)的反射鏡1之間共光軸設(shè)置有光程腔3，由光程腔3所在的透射光路11形成可調(diào)光路，光程腔3側(cè)壁具有供氣壓計6連通的通氣孔32以及供氣壓調(diào)節(jié)器7連通的通氣孔33，氣壓計6通過對應(yīng)的通氣孔32監(jiān)測光程腔3內(nèi)部氣壓，且氣壓計6與一個氣壓控制模塊8連接，由氣壓控制模塊8接收氣壓計6測量的壓力信號，氣壓控制模塊8根據(jù)壓力信號得到相應(yīng)的氣壓控制信號并將氣壓控制信號傳送至氣壓調(diào)節(jié)器7，氣壓調(diào)節(jié)器7根據(jù)氣壓控制信號通過對應(yīng)的通氣孔33對光程腔內(nèi)部氣壓進行調(diào)節(jié)，通過調(diào)節(jié)光程腔3內(nèi)部氣壓改變調(diào)節(jié)邁克爾遜干涉儀的光程。

如圖2所示，光程腔3為管狀腔體，腔體兩管端分別安裝有石英窗片34、35，腔體一側(cè)連接有一對通氣孔32、33，兩通氣孔32、33分別垂直于腔體中心軸，其中一個通氣孔32與氣壓計6連通，另一個通氣孔33與氣壓調(diào)節(jié)器7連通。

如圖3所示，氣壓調(diào)節(jié)器7由若干截面積不同的活塞筒71構(gòu)成，每個活塞筒分別由各自對應(yīng)的驅(qū)動電機73驅(qū)動，每個活塞筒71分別配備有剛性鎖扣74，多個活塞筒71的出氣孔分別與光程腔3對應(yīng)的通氣孔33連通，氣壓控制模塊8分別與各個活塞筒71的驅(qū)動電機73和剛性鎖孔74控制連接。

如圖1所示，還包括結(jié)構(gòu)與光程腔3相同的補償腔4，補償腔4內(nèi)部光路長度小于光程腔3，補償腔4兩管端分別安裝有石英窗片44、45，且補償腔4中石英窗片44、45與光程腔3的石英窗片34、35完全相同，補償腔4共中心軸設(shè)置在半透半反鏡5的反射光路10上并位于半透半反鏡5和對應(yīng)的反射鏡2之間，補償腔4側(cè)壁設(shè)有一對通氣孔42、43，兩通氣孔42、43分別垂直于補償腔4中心軸，其中一個通氣孔43通過放空閥14向外部放氣，氣壓控制模塊8與放氣閥14控制連接，由補償腔4所在的反射光路10形成固定光路，并由補償腔4的石英窗片34、35補償光程腔3石英窗片34、35的色散效果，以規(guī)避色散對干涉的影響。

補償腔4另一個通氣孔42還可通過連通閥13連通接入氣壓調(diào)節(jié)器7與光程腔3對應(yīng)的通氣孔33之間，氣壓控制模塊8與連通閥13控制連接，當需要進行光程差的高精度調(diào)節(jié)時，通過連通閥13連通補償腔4和光程腔3，此時補償腔4所在的反射光路不再為固定光路。

光程腔3、補償腔4均由高強度材料制成，可承受較高的氣壓以實現(xiàn)大范圍的變化。

如圖1所示，氣壓調(diào)節(jié)無運動件紅外干涉儀，包括反射鏡1、2，光程腔3、補償腔4、半透半反鏡5、氣壓計6、氣壓調(diào)節(jié)器7和氣壓控制模塊8，其中反射鏡1、2均為邁克爾孫干涉儀兩路光線的反射鏡，可以為常規(guī)平面鏡，也可以為角錐鏡。使用干涉儀時，入射光9被半透半反鏡分束，兩路光沿光路10、11分別經(jīng)光程腔3和補償腔4到反射鏡1和2，而后分別沿光路10、11返回半透半反鏡5，并在出射光路12上合束形成干涉。連通閥13控制光程腔3和補償腔4之間的連通，放空閥14控制補償腔4與放氣孔15之間的連通。

如圖2所示，光程腔3和補償腔4為本發(fā)明的核心部件，光程腔3由腔體31、通氣孔32、33和石英窗片34、35組成。氣壓計6通過通氣孔32監(jiān)測光程腔3內(nèi)部的氣壓，光程腔3內(nèi)部氣壓由氣壓調(diào)節(jié)器7通過通氣孔33進行調(diào)節(jié)，氣壓控制模塊8接收氣壓計6測量的壓力信號81，并根據(jù)需要將氣壓控制信號82送給氣壓調(diào)節(jié)器7。補償腔4的結(jié)構(gòu)與光程腔3完全相同，內(nèi)部光路長度略小于光程腔3，由腔體41、通氣孔42、43和石英窗片44、45組成。補償腔4的內(nèi)部與大氣通過通氣孔42連接連通閥，通過通氣孔43連接放空閥14。一般情況下，連通閥13關(guān)斷，放空閥14打開，以保持補償腔內(nèi)氣壓為常壓。補償腔4的功能有兩點：第一，補償腔4的石英窗片44、45與光程腔3的石英窗片34、35完全相同，可以產(chǎn)生相同程度的色散效果，從而規(guī)避色散對干涉的影響；第二，當工作波長過短導致難以精確控制氣壓時，可以關(guān)斷放空閥14而后打開連通閥13，以減小光程腔3的有效光路長度，降低壓力控制精度要求。對于單波長的干涉，由于不用考慮色散因素，故可以不使用補償腔4，但是當工作波長過小時，仍然需要使用補償腔4的第二功能。

如圖3所示，氣壓調(diào)節(jié)器7通過通氣孔33與光程腔3連接，并行成一個封閉的連通系統(tǒng)70，氣壓調(diào)節(jié)器7由若干截面積不同的活塞筒71連接在一起，每個活塞由對應(yīng)的驅(qū)動電機73驅(qū)動，并配備相應(yīng)的剛性鎖扣74。驅(qū)動電機72的工作狀態(tài)由氣壓控制模塊8通過氣壓控制信號82決定。鎖扣74的開閉狀態(tài)也由氣壓控制模塊8通過氣壓控制信號82決定。不同口徑的活塞筒71及活塞72運動時，會對連通系統(tǒng)70的氣壓產(chǎn)生不同程度的影響。例如，當需要調(diào)節(jié)氣壓至421kpa時，可以先驅(qū)動活塞72.a，使氣壓位于420kpa附件，鎖定鎖扣74.a，而后驅(qū)動活塞72.b，使氣壓進一步逼近421kpa，鎖定鎖扣74.b，最后驅(qū)動活塞72.c，使氣壓精確穩(wěn)定在421.00kpa位置，鎖定鎖扣74.c，從而完成對光程腔3的氣壓準確控制。

使用干涉儀時，可以根據(jù)干涉條件的需要，調(diào)整光程腔3內(nèi)的氣壓，即可得到所需要的干涉效果。對于靜態(tài)干涉，只需要調(diào)整好氣壓即可，對于動態(tài)干涉，可以讓驅(qū)動電機73按照需要的流程運動，從而產(chǎn)生光程腔3內(nèi)的動態(tài)氣壓——光程變化。